基于PLC控制的污水处理系统设计分析研究 电气工程自动化专业

基于PLC控制的污水处理系统设计摘要目前，我国大多数污水处理控制系统自动化水平不高、安全性低、管理不当，效率普遍低于世界标准。污水处理系统中的曝气过程控制、数据通讯和监控管理是急需解决的主要问题。中国污水处理自控系统相对落后，污水处理成本居高不下，污水厂排放的处理过的污水的水质不稳定，所以如何建立有效的自控系统，优化运行效果，减少运行费用，具有重要意义。本文介绍了工厂污水处理的基本工艺和流程，并通过研究设计一套基于PLC控制的污水处理系统。文章首先介绍了基于PLC污水处理控制系统的工艺及相关流程，控制系统硬件结构及设计、工作原理以及设计PLC控制系统的基本原则和步骤，来说明PLC在污水处理过程中的应用。先根据污水处理要求设计了设备的电器控制与自动控制线路，主要包括设备的启停、状态信号故障信号、和信号采集等，最后按照工艺要求设计PLC控制系统，其中包括PLC的选型、系统资源配置以及按照污水处理工艺编制PLC程序。关键词：污水处理，PLC，工艺流程

目录30625_WPSOffice_Level1Abstract 312356_WPSOffice_Level11工业污水处理控制系统总体介绍 43302_WPSOffice_Level11.1工业污水处理基本概念 415632_WPSOffice_Level11.2本设计系统工业污水处理工艺及描述： 48573_WPSOffice_Level11.3工业污水处理系统控制形式 58347_WPSOffice_Level11.4工业污水处理系统的功能要求 520753_WPSOffice_Level22硬件系统配置 621553_WPSOffice_Level32.1主要组成部分 610533_WPSOffice_Level32.2电气控制系统 625925_WPSOffice_Level32.3工业污水处理系统的工作原理 715346_WPSOffice_Level32.4PLC选型 927927_WPSOffice_Level32.5PLC的I/O资源配置 916892_WPSOffice_Level23软件系统设计 1210214_WPSOffice_Level33.1总体流程设计 1218468_WPSOffice_Level33.2曝气过程控制的任务 1918429_WPSOffice_Level33.3氯气投加环节 194837_WPSOffice_Level33.4絮凝剂投加环 201176_WPSOffice_Level33.5PID控制 2024269_WPSOffice_Level33.6PLC和变频器通讯 215877_WPSOffice_Level1参考文献 2523573_WPSOffice_Level1致谢 26

AbstractAtpresent,mostofChina'ssewagetreatmentcontrolsystemautomationlevelisnothigh,lowsafety,impropermanagement,efficiencyisgenerallylowerthantheworldstandard.Aerationprocesscontrol,datacommunicationandmonitoringmanagementinsewagetreatmentsystemarethemainproblemstobesolvedurgently.TheautomaticcontrolsystemofsewagetreatmentinChinaisrelativelybackward,thecostofsewagetreatmentishigh,andthequalityoftreatedsewagedischargedbysewagetreatmentplantsisunstable.Therefore,itisofgreatsignificancetoestablishaneffectiveautomaticcontrolsystem,optimizetheoperationeffectandreducetheoperationcost.Thispaperintroducesthebasicprocessandflowofsewagetreatment,anddesignsasetofsewagetreatmentsystembasedonPLCcontrol.ThispaperfirstintroducestheprocessandrelatedflowofthecontrolsystembasedonPLCsewagetreatmentcontrolsystem,thehardwarestructureanddesignofthecontrolsystem,theworkingprincipleandthebasicprinciplesandstepsofthedesignofPLCcontrolsystem,toillustratetheapplicationofPLCinthesewagetreatmentprocess.Firstaccordingtotherequirementsofsewagetreatmentequipmentelectricalcontrolandautomaticcontrolcircuitdesign,mainlyincludingthestartandstopoftheequipment,statussignalfaultsignal,andsignalacquisition,andfinallyaccordingtotheprocessrequirementsdesignPLCcontrolsystem,includingtheselectionofPLC,systemresourceallocationandpreparationofPLCprograminaccordancewiththesewagetreatmentprocess.Keywords:sewagetreatment,PLC,processflow1工业污水处理控制系统总体介绍1.1工业污水处理基本概念城市污水、生活污水、生产污水或经过工业企业局部处理后的生产污水，往往都排入排水系统。这些污水除含有碳水化合物、蛋白质、氨基酸、动植物脂肪、尿素、氨、肥皂和合成洗涤剂等物质外，还含有细菌、病毒等使人致病的微生物。经处理后的污水，最后出路有三种：=1\*GB3①排放水体；=2\*GB3②灌溉田地；=3\*GB3③重复使用。好氧有机污染物的性质稳定，在微生物的作用下，借助微生物的新陈代谢功能而降解为无机物，如二氧化碳、水、硝酸根离子等稳定的无机物。1.2本设计系统工业污水处理工艺及描述：本工业污水处理工艺流程图如下图2-4所示：图2-4工艺流程图污水由进水系统通过粗格栅和清污机进行初步排除大块杂质物体，到达除砂池中。在除砂池系统中细格栅和转鼓清污机进一步净化污水中的细小颗粒物体，将污水中的细小沙粒滤除后进入氧化沟反应池。1.3工业污水处理系统控制形式早期的控制系统多采用继电器——接触器控制系统，但随着电子技术的飞速发展，控制要求的不断提高，该类控制方法已不能满足现代工业污水处理系统的控制要求，因此已逐渐被淘汰，取而代之的是DCS、现场总线控制、PLC等控制方。DCS系统。DCS是集散控制系统的简称，又称为分布式计算机控制系统，是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术等相互渗透形成的。现场总线控制系统。现场总线控制系统是由DCS和PLC发展而来的，是基于现场总线的自动控制系统。（3）PLC系统。PLC是可编程逻辑控制器的简称，用它作为处理系统的控制器，实现控制系统的功能要求，也可利用计算机作为其上位机，通过网络连接PLC，对生产过程进行实时监控，其特点如下：编程方便，开发周期短，维护容易。通用性强，使用方便。控制功能强。模块化结构，扩展能力强。1.4工业污水处理系统的功能要求工业污水处理系统的主要功能是完成对城市污水的净化的作用，将城市中排除的污水通过该系统处理后，输出符合国家标准的水质。长期以来，工业污水处理技术虽然经过了迅速发展，但仍滞后于城市发展的需要，工业污水处理率低、设备运转率低等极大地影响了城市发展。PLC作为工业污水处理系统的控制系统使得设计过程变得更加简单，可实现的功能变得更多。与各类人机界面的通信可完成PLC控制系统的监视，同时使用户可通过操作界面功能控制PLC系统。利用PLC作为控制器的工业污水处理系统主要涉及两个方面：一是信号输入；二是控制输出信号。

2硬件系统配置2.1主要组成部分工业污水处理系统的结构比较复杂，设备较多，在氧化沟中其控制过程及原理大致相同，都是通过控制曝气机的转速来调节污水中的含氧量，其基本组成如图3-1所示。图4-1工业污水处理系统基本组成示意图进水系统。进水系统主要有进水管道和进水泵房组成，进水管道主要由粗格栅机和清污机组成，进水泵房主要有两台潜水泵组成。进水管道的主要功能是将污水中的大块物体排除，其中的粗格栅是根据程序设定的时间进行间歇工作，而清污机的运行和停止是根据粗格栅两侧的液位差来决定的，当液位差超过某个值时，启动清污机；当液位差小于某个值时停止清污机的运行。除砂系统。除砂系统主要由细格栅系统和沉砂池组成，细格栅系统是由细格栅机和转鼓清污机组成，沉砂池的主要设备是分离机。(3）氧化沟系统。氧化沟系统由氧化沟和污泥回流系统构成，氧化沟是工业污水处理系统中最重要的环节，因此控制量较多，控制过程叫复杂，包括转碟曝气机和潜水搅拌机，污水回流系统主要有污泥回流泵构成。2.2电气控制系统电气控制系统主要包括操作面板、显示面板、电气控制柜等单元。由于在该系统中需要检测较多的数字输入量，并且还要检测模拟量的输入，根据设定的程序进行数据处理后，输出控制信号，因此系统的控制逻辑与时序就需要严格照检测信号的输入进行控制。(1）操作面板。操作面板主要包括手动、自动、各类设备的启动按钮等。(2）显示面板。显示面板由于要显示较多的数据，因此一般采用触摸屏或者人机界面。(3）电气控制柜。电气控制柜是电气控制的核心设备，主要包括变频器、各类传感器的输入信号、PLC及其扩展模块等。2.3工业污水处理系统的工作原理2.3.1控制系统总体框图工业污水处理系统的电气控制系统总框图如图4-2所示，PLC为核心控制器，通过检测操作面板按钮的输入、各类传感器的输入，以及相关模拟量的输入，完成相关设备的运行、停止和调速控制。3-2电气控制系统框图2.3.2工作过程在手动状态下，各类设备的控制是根据操作面板上的按钮输入来控制，无逻辑控制，即可不根据传感器的状态进行控制。在自动方式下进行闭环控制，系统根据检测到外部传感器的状态对设备进行启停控制，其工作过程如下。(1）接通电源，启动自动控制方式，启动潜水搅拌器和刮泥机。(2）运行粗、细格栅机，进行间歇运行，即运行一段时间然后停止一段时间，循环进行。(3）根据反馈回来的液位差状态控制清污机的运行与停止。(4）进水泵房中的潜水泵根据液面高低进行运行、停止及运行数量的控制。2.3.3工业污水处理系统主电路设计图3-3为工业污水处理系统的主电路图的部分图。三台电机分别为潜水泵电机（M1）、清污机电机（M2）、转碟曝气机电机（M3）。接触器KM3、KM2、KM6分别控制M1、M2、M3的工频运行；接触器KM5、KM9分别控制M1、M3的变频运行；FR1、FR2、FR3分别为三台电机过载保护用的热继电器；QF1、主电路的空气开关；FU1为主电路的熔断器。选用的MM430变频器是用来控制电机M1、M3变频运行的。图3-3工业污水处理系统部分主电路图

2.4PLC选型根据工业污水处理系统的电气控制系统的功能要求，以及其复杂程度，从经济性、可靠性等方面来考虑，选择西门子S7—200系列PLC作为工业污水处理系统的电气控制系统的控制主机。由于工业污水处理电气控制系统涉及较多的输入输出端口，其控制过程相对复杂，因此采用CPU226作为该控制系统的主机。CPU226在工业污水处理系统中使用的数字量输入点和输出点都比较多，因此除了PLC主机自带的I/O外，还需要扩展一定数量的I/O扩展模块。在此采用EM223输入/输出混合扩展模块。8点DC输入8点输出型。2.5PLC的I/O资源配置根据系统的功能要求，对PLC的I/O进行配置，具体分配如下表。2.5.1数字量输入部分表3-4数字输入量地址分配输入地址输入设备输入地址输入设备I0.0急停I1.4手动刮泥机启动I0.1手动方式I1.5手动污泥回流泵启动I0.2自动方式I1.6手动分离式脱水机启动I0.3自动启动确认I1.7手动污泥泵启动I0.4手动粗格栅机启动I2.0手动转碟曝气机加速I0.5手动清污机启动I2.1手动转碟曝气机减少I0.6手动潜水泵启动I2.2粗格栅液位差计I0.7手动细格栅机启动I2.3细格栅液位差计I1.0手动分离机启动I2.4进水泵房液面高位传感器I1.1手动转碟曝气机工频启动I2.5进水泵房液面低位传感器I1.2手动转碟曝气机变频启动I2.6污泥回流泵液面高位传感器I1.3手动潜水搅拌机启动I2.7污泥回流泵液面低位传感器2.5.2数字量输出部分表3-5数字输出量地址分配输出地址输出设备输出地址输出设备Q0.0粗格栅机接触器Q0.7潜水搅拌机接触器Q0.1清污机接触器Q1.0刮泥机接触器Q0.2潜水泵接触器Q1.1污泥回流泵接触器Q0.3细格栅机接触器Q1.2离心式脱水机接触器Q0.4分离机接触器Q1.3潜水泵报警Q0.5转碟曝气机工频接触器Q1.4污泥回流泵报警Q0.6转碟曝气机变频接触器2.5.3模拟量输入部分由于需要采集一个溶氧仪所反馈的数据，因此扩展了一个模拟量输入输出模块，具体I/O分配，如下表3-6所示。表3-6模拟量输入地址分配输入地址输入设备AIW0溶解氧仪2.5.4模拟量输出部分在此控制系统中需要将采集回来的模拟量进行数据处理，然后，通过模拟输出口对变频器进行控制，进行控制其他设备的运行，如下表3-7所示。表3-7模拟量输出地址分配输出地址输出设备AQW0经PID运算输出根据控制系统的功能要求，设计出工业污水处理控制系统的硬件连线图如图3-8所示，此控制面板上的手动控制部分主要在调试系统时使用，调试完成后基本处于闲置状态。图3-8工业污水处理系统PLC硬件接线图

3软件系统设计3.1总体流程设计根据系统的控制要求，控制过程可以分为手动控制功能和自动运行功能。在手动控制模式下，每个设备可以单独运行，以测试设备的性能，如图4-1所示。图4-1模式选择流程图3.1.1手动模式在手动模式下，可单独调试每个设备的运行，如图5-2所示。在此模式下，可以通过按钮对格栅机、清污机、转碟曝气机、刮泥机，以及各类泵进行控制，对于转碟曝气机的控制，可以通过按钮增大或减小变频器的频率来改变其速度，以检测调试性能。图4-2手动操作模式流程图3.1.2自动模式处于自动方式时，系统上电后，按下自动启动确认后系统运行，系统开始工作，其工作过程包括以下几个方面。（1）系统上电后，按下自动启动确认按钮，启动潜水搅拌器和刮泥机。（2）启动粗格栅系统。（3）启动潜水泵。（4）启动细格栅系统。（5）启动曝气沉砂系统。（6）启动污泥回流系统。（7）启动污泥脱水系统。以上工作过程并不是顺序控制方式，而是按照PLC检测到传感器状态进行启动如图4-3所示。图4-3自动操作模式流程图在自动控制模式流程图中，调用了各个控制系统的程序，主要包括粗格栅系统程序、潜水泵程序、细格栅系统程序、曝气沉砂系统程序、污泥回流泵系统程序。以及污泥脱水系统程序，以下将分别介绍各个子程序的工作过程。粗格栅系统程序主要控制粗格栅机和清污机的运行，其工作过程包括以下几个方面。（1）自动过程开始启动粗格栅机，定时20min。（2）定时到，停止运行粗格栅机2h。（3）2h定时到，运行粗格栅机20min，循环进行。（4）同时检查液面差，若超过设定值则启动清污机。（5）液面差值低于设定值，停止清污机运行。粗格栅系统工作流程图如图4-4所示。图4-4粗格栅系统工作流程图潜水泵程序主要控制潜水泵的运行和停止，其工作过程包括以下几个方面：（1）自动过程开始启动潜水泵。（2）检测液面高度，低于最低位传感器时，开始定时防止误判。（3）定时到后，若仍低于最低位传感器，则停止潜水泵运行，否则潜水泵继续运行。（4）检测液面处于中位和高位传感器之间时，开始定时防止误判。（5）定时到后，若液面仍持续处于高位传感器，则输出报警信号。潜水泵工作流程图如图4-5所示。图4-5潜水泵工作流程图细格栅系统程序与粗格栅系统程序相似，主要控制细格栅机和转鼓清污机的运行，其工作过程包括以下几个方面：（1）自动过程开始，启动细格栅机，定时20min。（2）定时到，停止运行细格栅机2h。（3）2h定时到，运行细格栅机20min，循环进行。（4）同时检测液面差，若超过设定值则启动转鼓清污机。（5）液面差低于设定值，停止转鼓清污机运行。图4-6细格栅系统工作流程图曝气沉砂系统工作流程图如图4-7所示。4-7曝气沉砂系统工作流程图污泥回流系统程序主要控制污泥回流泵的运行和停止，其工作过程包括以下几个方面。（1）自动过程开始首先检测液面高低，若低于最低位传感器，启动定时。（2）定时到，若液面仍低于最低位传感器则停止回流泵运行。（3）若液面处于最高位和最低位之间，启动污泥回流泵。（4）若液面高于最高位传感器时，启动定时。（5）定时到，若液面仍处于最高位传感器时，输出报警信号。污泥回流系统工作流程图如图4-8所示。图4-8污泥回流系统工作流程图污泥脱水系统程序主要控制离心式脱水机，启动定时。（1）自动过程开始首先启动离心式脱水机，启动定时。（2）定时到，启动聚合物泵，启动定时。（3）定时到，启动污泥泵和切割机。污泥脱水系统工作流程图如图4-9所示。图4-9污泥脱水系统工作流程图在设计程序过程中，会用到许多中间继电器、寄存器、定时器等软元件，为了便于编程及修改，在程序编写前应先列出可能用到的软元件，3.2曝气过程控制的任务工业污水处理后的水质是否达到排放标准，其中生化需氧量（BOD）和化学需氧量（COD）是重要的水质指标。BOD是指在有氧条件下，降解有机物所需的氧量。COD是指在酸性条件下，用强氧化剂将有机物氧化成CO2、H2O所消耗的氧量。BOD的测定需费时5天，且测定结果易受多种因素影响，误差较大。COD的检测比较精确，但方法繁琐，耗时约2小时。虽然有COD浓度在线检测仪可以在线检测，但仍存在滞后（30分钟左右），测量结果严重滞后于实际运行时间，不能及时反映实际情况。另外，COD检测仪的价格也较昂贵，增加了控制系统的成本。所以有必要找出简单、可行的控制参数。3.3氯气投加环节氯气投加消毒效果的好坏与原水PH值、水温、浊度和接触时间有直接的关系。人工进行加氯量控制，不仅对操作工人不安全，而且投加量也难以准确控制。投加量少了，达不到杀菌消毒效果；投加量多了虽杀菌效果得到了保证，但水将呈氯臭味难以饮用，此外管道腐蚀将加剧，生产成本也上升。近年来，人工加氯逐渐被自动方式取代。氯气投加系统具有大惯性、大滞后的特点，其过渡过程和纯滞后时间均较长，并且系统的干扰因素较多，对这样一个系统，使用一般的PID调节很难满足控制要求。为了精确控制投加的氯量，运用模糊自整定PID参数控制器对氯气投加系统进行自动控制。氯气投加自动控制系统如图4-11所示。图4-11氯气投加自控原理图3.4絮凝剂投加环在污泥脱水过程中为增加沉淀效果，使污水中悬浮颗粒能够形成具有良好沉淀性能的絮凝体，达到泥水充分分离的处理效果，需进行絮凝剂投加。其控制过程主要是通过污泥浓度、污水流量、絮凝剂浓度等因素控制来完成的。其PID调节的模糊控制过程与上述两个非线性控制环节类似，具有大时滞、非线性的特点。由于混凝过程的复杂性和多变性，混凝投药的自动控制一直受到控制行业和污水行业专家的普遍关注。3.5PID控制对于工业控制过程,常规的PID控制器具有原理简单、使用方便、稳定可靠、无静差等优点，因此在控制理论和技术飞跃发展的今天，在工业控制领域仍具有强大的生命力。常规的PID控制器的描述如式（4.1）所示：nni=0Un=kpEn+ki∑Ei+KdECn（4.1）其中各参数代表的意义是：Un：控制器的输出En：控制器偏差输入ECn：系统误差变化率kp：比例增益ki：积分增益kd：微分增益比例增益kp使控制器的输入输出成一一对应比例关系。一旦输入输出有偏差，比例作用会立即产生控制作用，比例控制是用来调节系统的静态增益的，它是基于偏差进行调节的，是有差调节。为了尽量减小偏差，同时也为了加快系统的响应速度，缩短系统的调节时间，需要增大kp值。但是因为kp值又受到系统稳定性的限制，所以kp值不能任意的增大。积分作用ki是为了消除静差而引入的。然而，ki值的引入使得系统的响应的快速性下降，稳定性变差。尤其在系统出现大偏差阶段时，积分往往使得系统的响应出现过大的超调，从而使调节时间变长。微分作用kt的作用使之能够根据偏差变化的趋势作出反应，它加快了对偏差变化的反应速度，能够有效地减小超调，缩小最大动态偏差。但是，同时又会使系统容易受到高频干扰的影响。在实际的系统设计中只有合理地整定上述三个参数，才能获得比较满意的控制性能。在污水的自动控制中，混凝剂投加、氯气投加和曝气环节由于过程的复杂性、多变性、非线性和大滞后的特点，采用的PID控制算法难以实现准确和高效的控制。为此在常规的PID控制基础上，采用模糊推理的方法，对PID的控制参数进行在线自整定，从而完善PID控制器的性能，使其适应控制系统的参数变化和工作条。3.6PLC和变频器通讯（1）USS通讯协议简介它是一种基于串行总线进行数据通讯的协议。USS协议是主-从结构的协议，规定了在USS总线上可以有一个主站和最多30个从站；总线上的每个从站都有一个站地址（在从站参数中设定），主站依靠它识别每个从站；每个从站也只对主站发来的报文做出响应并回送报文，从站之间不能直接进行数据通讯。（2）USS通讯协议库编程之前一定要将USS协议库添加进去，编程软件默认安装没有USS协议库的。USS_INIT指令：当EN输入接通时，每一循环都执行该指令。通过Mode输入值可选择不同的通讯协议：输入值为1，指定Port0为USS协议并使能该协议；输入值为0，指定Port0为PPI并且禁止USS协议。Baud设置波特率为1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600或115200。Active指示哪个驱动激活，有些驱动只支持地址0到30。

4调试和运行结果4.1硬件系统的调试按照系统设计要求将各硬件接线接好。调试过程首先检查总供电及各设备供电是否正常，然后检查设备的电气控制是否正常，能否正常开机，各种闸阀能否正常开启和关闭，检查仪表及控制系统是否正常。在对系统进行必要的检查后，开始具体调试。硬件功能调试主要是测试硬件的功能是否正常，这部分的调试内容包括：（1）供电线路的设置和检验，主要用万用表检测电路的连通是否实现，以及保证接线的正确性，防止220V与24V线路的错位接线发生；（2）电机直接加三相电源调试，检测电机工作状态；（3）变频器单独调试，检测能否正常进行参数设置；（4）变频器加电机进行调试，检测能否正常进行变频调速，在外部控制模式下，控制端子是否能正常控制电机启动，调节电机转速等；（5）PLC单独检测，检查PLC单元能否正常工作，指示灯是否正常，该部分工作实际上在计算机模拟调试前就己经完成；（6）PLC加变频器联机调试，检查PLC、变频器是否能实现对此系统控制；经过测试，结果表明上述功能一切正常，可以进行总体调试。4.2软件系统的调试在STEP7-Micro/WIN32软件中，通过编程，将编好的程序下载到PLC中进行运行调试，检查程序是否有错误，是否能够实现相应的功能控制。调试时，可根据功能模块分类分别调试，最后进行总体调试。在该控制程序中，需要根据外界输入的状态来控制